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Valeria Costantino » 1.La materia: proprietà e composizione


Perché bisogna studiare BENE la chimica?

  • La chimica è la scienza che si occupa delle proprietà della materia e della trasformazione di una forma di materia in un’altra.
  • La sua estrema importanza deriva dal fatto che molte discipline (chimica organica, chimica biologica, analisi dei medicinali, chimica farmaceutica) che affronterete negli anni successivi si basano su ben determinati concetti che studieremo durante questo corso.
La glicolisi, un processo metabolico

La glicolisi, un processo metabolico


La chimica

  • D’altra parte, studiando la chimica, scoprirete che essa riguarda la vita di ogni giorno, i processi metabolici che avvengono nel nostro corpo etc.
  • Quindi, studiare la chimica è un modo per acquisire una migliore comprensione del mondo e delle trasformazioni che in esso avvengono continuamente.

I settori della chimica

Tradizionalmente la CHIMICA è suddivisa in tre settori fondamentali:

  • chimica organica: lo studio dei composti del carbonio;
  • chimica inorganica: lo studio di tutti gli altri elementi e dei loro composti;
  • chimica fisica: descrive nella maniera più accurata possibile i fenomeni fondamentali che sono alla base dei processi chimici.

I settori della chimica

Esistono poi speciali aree, come :

  • la biochimica, lo studio dei composti, delle reazioni e di processi chimici che avvengono nei sistemi viventi;
  • la chimica analitica, lo studio delle tecniche atte ad identificare le sostanze e a misurarne la quantità;
  • la chimica farmaceutica, l’applicazione dei principi della chimica alla progettazione e sintesi dei farmaci.

La chimica è una scienza a tre livelli

La chimica opera su tre livelli.

Il livello macroscopico, quello cioè dei fenomeni che possiamo osservare direttamente con i nostri occhi.

Questo fenomeno può essere spiegato a livello molecolare, il livello microscopico.

Il terzo livello è quello simbolico, l’espressione dei fenomeni chimici mediante simboli ed equazioni. Questo livello rappresenta il tramite tra gli altri due.


La materia

Abbiamo detto che la chimica è la scienza che si occupa delle materia, delle sue proprietà e della trasformazione di una forma di materia in un’altra.

Ma cosa è la materia?

La materia è tutto ciò che possiede massa ed occupa spazio.

Per conoscere la materia, osserviamo le sue proprietà.

Sostanza è un tipo di materia che ha una composizione definita e fissa.


Le proprietà fisiche e chimiche

Per identificare una sostanza si osservano due tipi di proprietà: proprietà fisiche e proprietà chimiche.

Le proprietà fisiche sono quelle che caratterizzano la sostanza: colore, temperatura di fusione, conduttività elettrica e densità.

Le proprietà chimiche sono le proprietà che essa presenta quando interagisce con un’altra sostanza: infiammabilità, corrosività e reattività con gli acidi.


Gli stati fisici della materia

  • La materia è caratterizzata da tre stati fisici: solido, liquido, gassoso;
  • è possibile passare da uno stato all’altro in opportune condizioni;
  • ciò avviene attraverso trasformazioni reversibili;
  • in queste trasformazioni si ha sempre conservazione della massa.

Gli stati fisici della materia

  • SOLIDI: hanno forma, massa e volume definiti e non sono compressibili.
  • LIQUIDI: hanno massa e volume definiti, assumono la forma del recipiente e sono poco
  • compressibili.
  • GAS: hanno massa definita, non hanno un volume definito, ma occupano tutto lo spazio disponibile.
Stati fisici della materia. Gli ingrandimenti mostrano la disposizione della materia a livello atomico

Stati fisici della materia. Gli ingrandimenti mostrano la disposizione della materia a livello atomico


Passaggi di stato

I passaggi di stato sono trasformazioni fisiche, non chimiche.

Una trasformazione fisica causata da un aumento di temperatura può essere generalmente invertita da una diminuzione di temperatura e viceversa. Ciò non è generalmente vero per una trasformazione chimica.

Schema passaggi di stato

Schema passaggi di stato


Trasformazioni chimiche e fisiche

Possiamo cosi riassumere le differenze fondamentali:

  • una trasformazione fisica dà origine ad una differente forma della stessa sostanza, mentre una trasformazione chimica dà origine ad una differente sostanza;
  • una trasformazione fisica causata da una variazione di temperatura può essere invertita con la variazione opposta di temperatura, ma ciò non è generalmente vero nel caso di una trasformazione chimica.

Sostanze pure e miscele

La materia può essere classificata in: sostanze pure e miscele.

Ogni sostanza pura è identificabile attraverso un’insieme di proprietà che la caratterizzano. Inoltre, essa non può essere separata in due o più specie differenti da nessuna tecnica fisica.

Sono sostanze pure gli elementi (un solo tipo di atomo, ossia la particella più piccola di un elemento che possiede le caratteristiche dell’elemento) ed i composti (due o più elementi diversi uniti chimicamente, l’acqua o il sale da cucina ad esempio).

Miscele omogenee e miscele eterogenee

Una miscela, invece, è un’insieme di sostanze. La miscela può essere omogenea o eterogenea.

  • Una miscela omogenea è quella costituita da due o più sostanze nella stessa fase. Le miscele omogenee sono spesso chiamate soluzioni.
  • Una miscela eterogenea è costituita da due o più sostanze in fase diversa (acqua ed olio, ad esempio).
Acqua e sale da cucina, miscela omogenea.

Acqua e sale da cucina, miscela omogenea.

Acqua ed olio, miscela eterogenea.

Acqua ed olio, miscela eterogenea.


Tecniche fisiche di separazione : filtrazione

  • Le miscele possono avere proporzioni variabili, essere separate fisicamente e conservano le proprietà dei loro componenti.
  • Quando una miscela viene separata nei suoi componenti, si dice che i composti sono stati purificati.
  • I processi di separazione fisica comprendono: la filtrazione, la cristallizzazione, l’estrazione, la cromatografia e la distillazione.

Filtrazione: separa i componenti di una miscela sulla base di differenze tra le dimensioni delle particelle.

Filtrazione

Filtrazione


Tecniche fisiche di separazione : cristallizzazione

  • La cristallizzazione si basa su differenze di solubilità.

La solubilità di una sostanza è la quantità di sostanza che si scioglie in un volume fisso di solvente ad una data temperatura.

Nell’immagine si può vedere che un composto si separa dalla fase liquida per cristallizzazione.

Cristallizzazione

Cristallizzazione


Tecniche fisiche di separazione : distillazione

  • La distillazione separa i componenti di una miscela sulla base della differente volatilità, ossia la tendenza di una sostanza a trasformarsi in un gas.

È una tecnica che trova applicazione in numerosi processi chimici, il più importante dei quali è indubbiamente la separazione del petrolio greggio nei suoi diversi componenti.

Apparecchio per distillazione

Apparecchio per distillazione


Tecniche fisiche di separazione : estrazione

  • L’estrazione si basa su differenze di solubilità.

È una metodica di laboratorio utilizzata per ottenere composti puri da fonti animali o vegetali o semplicemente per purificare sostanze impure.

Imbuto separatore usato per estrazioni liquido-liquido

Imbuto separatore usato per estrazioni liquido-liquido


Tecniche fisiche di separazione II: cromatografia

  • Infine la cromatografia, una tecnica basata sulla differente affinità dei componenti della miscela per una fase stazionaria.

Mentre una fase rimane fissa (la fase stazionaria), ed è generalmente un solido o un gel, un’altra fase, liquida o gassosa, la fase mobile fluisce su di essa trascinando con sé i componenti della miscela che più risultano affini ad essa.

Cromatografia a strato sottile

Cromatografia su strato sottile

Cromatografia su strato sottile


Riepilogo classificazione della materia

Classificazione della materia

Classificazione della materia


Composti

  • Un composto è un tipo di materia costituito da due o più elementi diversi che sono legati chimicamente tra loro.
  • Un composto molecolare è costituito da particelle elettricamente neutre e la sua composizione è rappresentata dalla formula chimica.
  • I pedici nella formula chimica rappresentano il numero relativo di atomi di ciascun elemento.

Anche gli elementi possono esistere in forma molecolare, ma in questo caso le molecole sono costituite da atomi IDENTICI.

Allo stato molecolare anche l’ossigeno che respiriamo, l’idrogeno e cloro, fluoro, bromo e iodio.

Composti

  • Un composto ionico è costituito da particelle elettricamente cariche positive e negative che formano un reticolo tridimensionale.
  • Anche un composto ionico è rappresentato da una formula chimica, in cui i pedici rappresentano i più piccoli rapporti interi tra le particelle positive e negative nel reticolo tridimensionale.

Proprietà della materia

  • La materia ha delle caratteristiche o proprietà che distinguono le varie sostanze.
  • Le proprietà della materia sono classificate in proprietà fisiche e proprietà chimiche.
  • Una proprietà fisica è una caratteristica osservabile e misurabile senza mutare l’identità della sostanza in esame. Lo stato della materia (solido, liquido e gassoso) è una proprietà fisica che dipende da temperatura e pressione. Altre proprietà fisiche sono: la densità, il volume (che indica lo spazio che occupato), il punto di fusione, il punto di ebollizione, il colore e la conducibilità elettrica.

Proprietà della materia

Ricordiamo che la densità è il rapporto tra la massa (quantità di materia) ed il suo volume.

Densità = massa/volume

Si esprime come g/cm3

  • Il punto di ebollizione: temperatura alla quale la pressione di vapore di un liquido eguaglia la pressione atmosferica al di sopra del liquido stesso.
  • Punto di fusione: valore di temperatura e pressione a cui coesistono le fasi solida e liquida in equilibrio termodinamico, cioè senza che vi sia transizione fra le due fasi.
  • Conducibilità elettrica: grandezza fisica che esprime la tendenza di un materiale a farsi attraversare dalla corrente elettrica.

Proprietà chimiche

  • Una proprietà chimica è relativa alla sua tendenza a trasformarsi in un’altra. Nelle trasformazioni chimiche (o reazioni chimiche) una o più sostanze (i reagenti) vengono trasformate in un’altra o più sostanze (i prodotti).

Le più comuni sono:

  • bruciare all’aria (combustione);
  • reagire con l’acqua;
  • reagire con un acido;
  • reagire con una base;
  • subire una trasformazione per il passaggio di corrente elettrica (elettrolisi).

Riepilogando

Le proprietà della materia e, quindi delle sostanze, sono classificabili in:

Proprietà fisiche: sono le grandezze fisiche già viste e dipendono dalla sostanza stessa. Possono essere distinte in:

  • proprietà estensive: dipendono dall’estensione del campione, ovvero dalla quantità di materia dello stesso;
  • proprietà intensive: non dipendono dalla quantità, bensì dal tipo di materia ( es. punto di fusione, densità).

Proprietà chimiche: dipendono in prevalenza dall’influenza di altre sostanze sulla sostanza in esame.

Obiettivi della prima lezione

Dopo aver studiato questa prima lezione bisogna essere capaci di:

  • Classificare la materia. Riconoscere e definire i vari stati della materia.
  • Dare definizione di: sostanza pura, miscela; miscela omogenea e miscela eterogenea
  • Usare correttamente i termini atomo, elemento, molecola e composto.
  • Conoscere le più comuni proprietà fisiche e chimiche della materia.
  • Usare la densità per correlare massa e volume di una sostanza.
  • Spiegare la differenza tra proprietà fisiche e chimiche.
  • Spiegare la differenza tra proprietà estensive ed intensive e farne un esempio.
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